Online Optimization of a Hybrid Electric Marine Power Plant Using Mixed Integer Linear Programming

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer et litteraturstudie om temaene hybrid-elektriske kraft- og fremdriftssystemer og optimalisering og regulering av hybride kraftsystemer. Komponenter, karakteristikker og reguleringslag ved hybrid-elektriske kraft- og fremdriftssystemer blir beskrevet, og flere optimaliserings- og reguleringsmetoder for hybride kraftsystemer utforskes.

En optimaliseringsmetode ved bruk av MILP utforskes, og en MILP-formulering for allokerings- og lastfordelingsproblemet for et marint kraftsystem blir presentert. Dette resulterer i en MILP optimaliseringsalgoritme som blir implementert i Matlab. MILP optimaliseringsalgoritmen kan optimalisere kraftsystemet med hensyn til flere optimaliseringsmål, inkludert å minimere online kapasitet, kjøretid for generatorsett og antall tilkoblinger/frakoblinger av generatorsett. Den foreslåtte optimaliseringsalgoritmen blir verifisert i Matlab ved å optimalisere et forenklet marint kraftsystem med et deterministisk lastprofil.

MVPPSS studeres og presenteres, slik at en simuleringsmodell av marine kraftsystemer kan lages. Videre blir MILP optimaliseringsalgoritmen implementert i MVPPSS. Dette gir muligheter for å inkludere et online optimaliseringslag i en simuleringsmodell i MVPPSS, og gjør det mulig å optimalisere en simuleringsmodell av et marint kraftsystem.

Et casestudie blir gjennomført, der tre ulike marine kraftsystemer med samme realistiske lastprofil blir sammenlignet. De tre kraftsystemene blir simulert i fixed konfigurasjon (det vil si alle generatorsett er tilkoblet gjennom hele simuleringen og det er ingen kraftregulering av generatorsett i modellen) og ikke-fixed konfigurasjon (det vil si generatorsett blir tilkoblet/frakoblet og regulert ved bruk av optimale settpunkt beregnet av optimaliseringsalgoritmen). De marine kraftsystemene blir sammenlignet ved å bruke valgte ytelsesindikatorer, og et optimalt design for et marint kraftsystem med det gitte lastprofilet blir foreslått. Sammenligningen gir en foreslått konfigurasjon av kraftsystemet bestående av seks generatorsett og ett batteri. Simuleringene viser at alle tre kraftsystemer opplever en reduksjon i drivstofforbruk i ikke-fixed konfigurasjon vs fixed konfigurasjon. Dette indikerer at den utviklede optimaliseringsalgoritmen reduserer drivstofforbruket til marine kraftsystemer. Casestudiet demonstrerer muligheten for å bruke MILP optimaliseringsalgoritmen som et ledd i optimale designformål, i tillegg til å bruke den som online optimalisering av et marint kraftsystem.

This thesis presents a literature review of the hybrid electric power and propulsion system and the fields of optimization and control of hybrid marine power systems. Components, characteristics and control layers of hybrid electric power and propulsion systems are described, and several optimization and control methods of hybrid power systems are explored.

An optimization method using mixed integer linear programming (MILP) is studied, and a MILP formulation of the scheduling and load sharing problem for a marine power plant is presented. This results in a MILP optimization algorithm implemented in Matlab. The MILP optimization algorithm has the possibility to optimize the power plant with respect to several optimization objectives, including minimizing online capacity, running hours of gensets and numbers of connections/disconnections of gensets. The proposed optimization algorithm is verified in Matlab by optimizing a simplified marine power plant with a deterministic load profile.

The Marine Vessel and Power Plant System Simulator (MVPPSS) is studied and presented, in order to make a simulation model of marine power plants. Further on, the MILP optimization algorithm is implemented in the simulation environment of the MVPPSS. This introduces the possibility to include an online optimization layer in a simulation model in the MVPPSS, and´ makes it possible to optimize a simulation model of a marine power plant.

A case study is conducted, comparing three different marine power plants using the same realistic load profile. The three power plants are simulated in fixed configuration (i.e. all gensets connected throughout the whole simulation and no power control present in the model) and in non-fixed configuration (i.e. gensets are connected/disconnected and controlled by the optimal setpoints provided by the MILP optimization algorithm). The marine power plants are compared with respect to a set of chosen key performance indicators (KPIs), and an optimal design for a marine power plant for the given load profile is proposed. The comparison yields a proposed configuration of a marine power plant consisting of six gensets and a battery energy storage device (ESD). The simulations show that all three marine power plants experience a reduction in fuel consumption in non-fixed configuration vs fixed configuration, indicating that using the developed optimization algorithm reduces the fuel consumption of marine power plants. The case study demonstrates the possibility to use the MILP optimization algorithm for optimal design purposes, as well as online optimization of a marine power plant.